JP2013526766A - コンパクト構造及び優れた安定性を有する冷却部材、並びにそれを有するバッテリーモジュール - Google Patents

Abstract

バッテリーセルの充放電中バッテリーセルから発生した熱を除去するため、バッテリーセル間にマウントされた冷却部材が、ここに開示されている。前記冷却部材は、放熱フィンの対向する主面がバッテリーセルと緊密に接触している状態でバッテリーセル間に配置されたプレート状放熱フィンと、クーラントを流すための中空構造を有するように構成されたクーラント導管であって、前記クーラント導管が放熱フィンに熱的に接触し、放熱フィンがバッテリーセル間に配置される場合には前記クーラント導管が各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部の外側に配置される、前記クーラン導管と、を含む。

Description

本発明は、コンパクト構造及び優れた安定性を有する冷却部材、並びにそれを含むバッテリーモジュールに関し、より詳しくは、バッテリーセルの充放電中にバッテリーセルから発生した熱を除去するために、バッテリーセル間に取り付けられた冷却部材であって、前記冷却部材が、放熱フィンの対向する主面がバッテリーセルと緊密に接触した状態でバッテリーセル間に配置されたプレート状放熱フィンと、クーラントを流すための中空構造を有するように構成されたクーラント導管であって、前記クーラント導管が放熱フィンに熱的に接触し、放熱フィンがバッテリーセル間に配置される場合に前記クーラント導管が各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部の外側に配置される前記クーラント導管と、を含む、前記冷却部材、並びにそれを含むバッテリーモジュールに関する。

最近、充放電可能な二次バッテリーは、ワイヤレスモバイルデバイスのエネルギー源として広く用いられている。また、二次バッテリーは、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）及びプラグイン電気自動車（プラグインＨＥＶ）用の電源として大きな注目を集め、これらは、化石燃料を用いた既存のガソリン及びディーゼル車により引き起こされる大気汚染の問題を解決するために開発されてきた。

小型のモバイルデバイスは、各デバイスに一つ又は数個のバッテリーセルを用いている。一方、車両などの、中型又は大型のデバイスは、互いに電気的に接続された複数のバッテリーセルを有するバッテリーモジュールを用いている。なぜなら、高電力及び大容量が、中型又は大型のデバイスに対しては、必要であるからである。

好ましくは、中型又は大型のバッテリーモジュールは、できるだけ小さいサイズ及び少ない重さを有するようにつくられる。このため、高集積度でスタックすることができ且つ小さい重量対容量比を有する、角柱バッテリー（prismatic battery）又はポーチ状バッテリー（pouch-shaped battery）が通常、中型又は大型のバッテリーモジュールのバッテリーセルとして用いられる。特に多くの関心が最近ポーチ状バッテリーに集まっており、ポーチ状バッテリーは、シース部材としてアルミニウム積層シート（aluminum laminate sheet）を用いている。なぜなら、ポーチ状バッテリーは、軽量であり、ポーチ状バッテリーの製造コストが低く、しかもポート状バッテリーの形状を修正しやすいからである。

このような中型又は大型のバッテリーモジュールを構成するバッテリーセルは、充放電可能な二次バッテリーである。このため、大量の熱が、バッテリーの充放電中、高電力、大容量の二次バッテリーから発生する。特に、バッテリーモジュールにおいて広く用いられている各ポーチ状バッテリーの積層シートは、その表面にコートされた低熱伝導性を示すポリマー材料を有し、その結果、バッテリーセルの温度全体を効果的に低下させるのが困難である。

バッテリーモジュールの充放電中、バッテリーモジュールから発生した熱が、バッテリーモジュールから効果的に除去されない場合、その熱はバッテリーモジュール内にたまり、その結果、バッテリーモジュールの劣化が加速される。場合によっては、バッテリーモジュールが、発火又は爆発することがある。このため、複数の中型又は大型のバッテリーモジュールを含む高電力、大容量のバッテリーである、車両用の中型又は大型のバッテリーパックにおいて、バッテリーパックにマウントされたバッテリーセルを冷却するため、冷却システムが必要である。

中型又は大型のバッテリーパックにマウントされる各バッテリーモジュールは通常、複数のバッテリーセルを高集積度でスタックすることにより、製造される。この場合、バッテリーセルは、バッテリーセルの充放電中に発生した熱が除去されるように、バッテリーセルが所定の間隔で配置されている状態で、スタックされている。例えば、バッテリーセルは、追加の部材を用いることなく、バッテリーセルが所定の間隔で配置された状態で、順にスタックすることができる。代替的に、バッテリーセルが低い機械的強度を有する場合、一つ又は二つ以上のバッテリーセルがバッテリーカートリッジにマウントされて単一ユニットモジュールを構成し、かつ複数ユニットのモジュールがスタックされてバッテリーモジュールを構成する。バッテリーカートリッジは、バッテリーセルの機械的強度を高める。しかしながら、バッテリーカートリッジは、バッテリーモジュールの全体サイズも大きくする。

また、クーラントチャネルは、スタックされたバッテリーセル間に又はスタックされたバッテリーモジュール間にたまった熱が効果的に除去されるように、スタックされたバッテリーセル間に又はスタックされたバッテリーモジュール間に規定される。

特に、冷却構造が、水冷タイプの冷却システムに基づいている場合、複数のクーラントチャネルがバッテリーセル間に又はバッテリーモジュール間に規定され、その結果、冷却構造を設計するのが非常に困難になる。また、冷却部材が又は熱伝導部材がバッテリーパックの特定領域にマウントされて冷却構造を構成する場合、バッテリーパックの全体サイズが大きくなる。

このケースに関連して、図１に示されるような構造を有する冷却部材１０は、バッテリーモジュールのバッテリーセル間に配置された水冷タイプの冷却部材として考えることができる。具体的には、図１の冷却部材１０は、一対の金属シート２０を含む。金属シート２０の外縁３０は、クーラントチャネル２５が金属シート２０の内側に連続的に形成された状態で、密封されている。

しかしながら、冷却部材１０の機械的強度は、構造的に低くなく、その結果、バッテリーセルの厚さがバッテリーセルのスタック方向に増す場合、バッテリーセルと緊密に接触するように形成されたクーラントチャネル２５は詰まることがあり、又は冷却部材１０の密封部分が相互に分離されることがある。この結果、クーラントの緊密の信頼性及び冷却の効率は低下される。

さらに、冷却部材１０の全体は、耐食性を有することが必要であり、その結果、冷却部材１０の製造コストは、増加する。

このため、クーラント漏れを効果的に防止し、長期間の耐久性を確実にし、かつ低コストで製造することのできる冷却部材、並びに前記冷却部材を用いた、優れた安全性を有するバッテリーモジュールに対する、強い必要性がある。

したがって、本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、クーラント導管が放熱フィンの外側に結合された構造をするように構成された冷却部材を提供することにある。

本発明の他の目的は、クーラント導管が電極アセンブリ受け部の外縁に沿って配置された構造を有するように構成され、その結果、バッテリーセルが固定され、かつクーラントの漏れが防止される、バッテリーモジュールを提供することにある。

本発明の一態様によれば、上記の及び他の目的は、バッテリーセルの充放電中にバッテリーセルから発生した熱を除去するためにバッテリーセル間にマウントされた冷却部材を提供することにより、達成することができる。前記冷却部材は、放熱フィンの対向する主面がバッテリーセルと緊密に接触した状態で、前記バッテリーセル間に配置されたプレート状放熱フィンと、クーラントを流すための中空構造を有するように構成されたクーラント導管と、を含み、前記クーラント導管が前記放熱フィンに熱的に接触し、前記放熱フィンがバッテリーセル間に配置される場合には前記クーラント導管が前記各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部の外側に配置される。

クーラント導管は電極アセンブリ受け部の外側に沿って放熱フィンにはめ込まれている。この結果、前述したように、クーラント漏れを効果的に防ぐことが可能である。また、バッテリーセルのスタックに起因する、クーラント導管の詰まり又は損傷を防ぐことが可能である。また、冷却部材の使用中、冷却部材の形状を維持することが可能であり、それにより、優れた冷却設計の信頼性を実現している。この結果、非常にコンパクトなバッテリーモジュールを構成することが可能である。

また、クーラントに対する耐食性は、クーラント導管に対してのみ必要とされる。すなわち、耐食性材料の放熱フィンを作る必要はない。この結果、冷却部材の製造コストは低減される。

好ましくは、各バッテリーセルは、プレート状二次バッテリーであり、該バッテリーは、バッテリーセルがバッテリーモジュールを構成するようにスタックされる場合には、バッテリーモジュールの全体サイズが最小化されるように、薄い厚さ並びに比較的大きな幅及び長さを有する。このようなプレート状二次バッテリーの好適な実施形態は、角柱バッテリーセル（prismatic battery cell）又はポーチ状バッテリーセル（pouch-shaped battery cell）とすることができる。好適には、プレート状二次バッテリーは、カソード／セパレータ／アノードの構造を有する電極アセンブリが樹脂層と金属層とを備える積層シートから形成されているバッテリーケースに形成された電極アセンブリ受け部にマウントされる構造を有するように構成されたポーチ状バッテリーセルであり、かつ熱溶接により密封された密封部分（「密封部分の外縁」）が、電極アセンブリ受け部の外縁に形成されている。

冷却効率を高めるために放熱フィンが高い熱伝導性を示す材料から形成されていれば、放熱フィンの材料は、特に限定されない。たとえば、放熱フィンは、高い熱伝導性を示す金属材料から形成することができる。

また、放熱フィンは、好ましくは、一対の金属シートが互いに結合された構造を有するように構成されている。

クーラント導管は、耐食性材料から形成されている。この結果、クーラントがクーランド導管内を流れる場合には、クーラント導管は、クーラントにより腐食されるのが防止される。

好適な実施形態において、クーラント導管は、クーラント導管の少なくとも一部が、各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部の外縁の形状に対応するために曲げられるように構成することができる。冷却部材がバッテリーセル間に配置された場合には、したがってクーランド導管の少なくとも一部が、各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部に隣接して位置決めされ、それにより冷却効率を向上している。また、各バッテリーセルの構造的安定性は向上され、かつ冷却部材は、各バッテリーセルに、効果的に固定されている。

上記の構造において、クーラント導管は、各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部の形状に対応するように、さまざまに形成することができる。たとえば、各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部が、プランにおいて（in plan）四角形に形成される場合、クーラント導管は、電極アセンブリ受け部の二つ又は三つ以上の側部に対応する形状を有するように、曲げることができる。好ましくは、クーラント導管は、電極アセンブリ受け部の三つの側部に対応する形状を有するように、曲げられている。

別の好適な実施形態において、クーラント導管は、電極アセンブリ受け部の外縁と緊密に接触して配置されるように、曲げることができる。

すなわち、冷却部材がバッテリーセル間に配置された場合、放熱フィン及びクーラント導管は、電極アセンブリ受け部の外縁と緊密に接触させて配置することができ、それにより熱伝導を通して放熱を最大化している。また、冷却部材は、電極アセンブリ受け部の外縁に沿って曲げられたクーラント導管により効果的に固定されて、バッテリーセルの支持力を高めている。この結果、バッテリーセルを固定するために更なる部材を用いることは必要でなく、又は、このような更なる部材の使用を最小化することが可能である。

クーラント導管は、たとえば、クーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが放熱フィンの一方側に並んで形成されるように、構成することができる。好ましくは、クーラント入口ポート及びクーラント出口ポートは、電極アセンブリ受け部の外縁から延在する。

クーラント導管のクーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが放熱フィンの一方側に並んで形成された構造において、クーラントの導入及び排出の構造は、クーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが放熱フィンの異なる側に形成されている構造と比較すると、バッテリーモジュールの一方側に形成されている。この結果、よりコンパクトなバッテリーモジュールを製造することが可能であるとともに、バッテリーパックの構成中にパッケージの効率を大幅に向上することが可能である。

一方、クーラント導管は放熱フィンに、溶接、好ましくはブレージング（blazing）により、結合することができる。

別の好適な実施形態において、放熱フィンは、一対の金属シートが互いに結合された構造を有するように、構成することができ、かつクーランド導管は、クーラント導管が金属シート間に配置された状態で、放熱フィンに結合することができる。

上記の構造を有する冷却部材において、耐食性材料から形成されたクーラント導管は、放熱フィンに結合され、したがって、クーラントの漏れの問題を最小化しながら冷却部材がよりコンパクトとなるように冷却部材を構成することが可能である。

一方、クーラントがクーラント導管中を容易に流れながら高い冷却効率を示せば、クーラントは、特に限定されない。たとえば、クーラントは水とすることができ、水は高い潜熱を含み、それにより冷却効率を最大化している。

本発明の他の態様によれば、バッテリーセル間にマウントされた冷却部材を含むバッテリーモジュールが提供される。

本発明に係るバッテリーモジュールは、二つ又は三つ以上のプレート状バッテリーセルがスタックされた構造を有するように構成することができ、かつ前記冷却部材は、バッテリーセル間に配置されている。この結果、放熱フィン及び冷却部材のクーランド導管を設けることにより、設計の信頼性及び冷却効率を大幅に向上することができ、かつバッテリーモジュールがコンパクトな構造を有するように、バッテリーモジュールを構成することが可能である。

クーラント導管は、クーラント導管のクーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが、好ましくは各バッテリーセルの電極端子に対応する領域に形成されるように構成することができる。この結果、多量の熱が発生する各バッテリーセルの領域である電極端子に対する冷却効率を最大化することができる。

場合によっては、クーラント導管は、クーラント導管のクーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが各バッテリーセルの電極端子とは反対側の特定領域に形成されるように、構成することができ、したがってクーラント入口ポート及びクーラント出口ポートは各バッテリーセルの電極リード線とは構造的に干渉しない。

本発明に係るバッテリーモジュールは、高電力及び大容量を得るために、複数のバッテリーセルを含む。この結果、バッテリーモジュールは、好ましくは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車用の電源、又は、充放電中に発生する高温熱が深刻な安全性の懸念である電力貯蔵デバイスとして用いられる。

本発明の上記の及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面と併用される以下の詳細な説明から、より明確に理解される。

図１は、例示的な冷却部材を示す代表図である。 図２は、例示的なプレート状バッテリーセルを示す透視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る冷却部材を示す代表図である。 図４は、図３に示した冷却部材の冷却フィンを示す代表図である。 図５は、図３に示した冷却部材のクーラント導管を示す代表図である。 図６は、本発明の一実施形態に係るバッテリーモジュールを示す斜視図である。 図７は、図６に示したバッテリーモジュールの分解図である。

以下、本発明の好適な実施形態が、添付の図面を参照して詳細に説明される。しかしながら、本発明の範囲は例示的な実施形態により限定されないことに注意すべきである。

図２は、本発明に係るバッテリーモジュールにマウントされた例示的なプレート状バッテリーセルを典型的に示す透視図である。
図２を参照すると、プレート状バッテリーセル１００は、二つの電極リード線１１０，１２０が向かい合った状態でバッテリーケース１３０の上端及び下端から突出する構造を有するように構成されている。

バッテリーケース１３０は、金属層と樹脂層とを含む積層シートから形成されている。バッテリーケース１３０は、上側ケースと、下側ケースと、を含んでいる。カソード／セパレータ／アノード構造の電極アセンブリ（図示省略）がバッテリーケース１３０内に形成された電極アセンブリ受け部１４０にマウントされた状態で、電極アセンブリ受け部１４０の外縁、すなわち側部１５０、上端１５０ａ及び下端１５０は、熱溶接により密封されて、シーリング部１５０を形成している。このようにしてバッテリーセル１００は、製造されている。

電極リード線１１０，１２０はそれぞれ、上端１５０ａ及び下端１５０ｃから突出している。このため、バッテリーケース１３０の密封性を高めるように、電極リード線１１０，１２０の厚さ及び電極リード線１１０，１２０とバッテリーケース１３０との材料の違いを考慮して、バッテリーケース１３０の上側ケース及び下側ケースの上端１５０ａ及び下端１５０ｃは、フィルムタイプのシーリング部材１６０が電極リード線１１０，１２０とバッテリーケース１３０との間に介在させられた状態で、互いに熱溶接されている。

図３は本発明の一実施形態に係る冷却部材を典型的に示す斜視図であり、図４は図３の放熱フィンを典型的に示す斜視図であり、図５はクーラント導管を典型的に示す斜視図である。
これらの図を図２とともに参照すると、冷却部材２００は、金属材料から作られたプレート状放熱フィン２１０と、バッテリーセル１００の電極アセンブリ受け部の外縁１５０に配置されていると共にクーラントを流すための中空構造を有するように構成されているクーラント導管２２０と、を含んでいる。

放熱フィン２１０は、溶接により一対の金属シート２１１，２１２を結合することにより、形成されている。クーラント導管２２０は、電極アセンブリ受け部の三つの側部に対応する形状に曲げられていると共に、放熱フィン２１０に、はめ込まれている。この結果、バッテリーセルのスタックに起因する、クーラント導管２２０の詰まり又は損傷を防ぐことが可能である。

また、クーラント導管２２０は、耐食性を示す材料で作られており、したがって、クーラントの漏れに起因する、クーラント導管２２０に対するダメージを最小化することが可能である。

図６は本発明の一実施形態に係るバッテリーモジュールを典型的に示す斜視図であり、図７は図６のバッテリーモジュールを典型的に示す分解図である。
これらの図を、図２及び図３とともに参照すると、冷却部材２００は、対応するバッテリーセル１００間にマウントされている。
バッテリーモジュール３００は、複数のバッテリーセル１００と、各バッテリーセル１００のバッテリー電極アセンブリ受け部１４０が互いに隣接するように垂直方向に配置された複数のモジュールケース３１０と、各バッテリーセル１００間のインターフェースに配置された複数の冷却部材２００と、を含んでいる。

各冷却部材２００の放熱フィン２１０は、緊密に接触した状態で隣接する電極アセンブリ受け部１４０間に配置されている。金属シートで作られたクーラント導管２２０は、クーラント導管２２０が電極アセンブリ受け部の外縁１５０と緊密に接触して配置されるように、曲げられている。この結果、クーラント導管２２０は、高い機械的強度を有し、かつ全体的にコンパクトな構造を有するように構成されている。

各バッテリーセル１００間に配置された各冷却部材２００のクーラント入口ポート２３０及びクーラント出口ポート２４０は、同じ方向に方向付けられている。このため、クーラントの導入及び排出のための配管設計を容易に実現することが可能であり、しかもバッテリーモジュールの総容量を最小化することが可能である。

したがって、クーラント導管２２０に沿って流れているクーラントは、各バッテリーセル１００間のインターフェースにマウントされた放熱フィン２１０に伝導された熱を効果的に除去して、各バッテリーセル１００を冷却し、それにより高い冷却効率をもたらしている。また、バッテリーモジュール３００は、このような高い冷却効率を提供するものの、バッテリーモジュール３００は、バッテリーモジュール３００がコンパクトな構造を有するように構成されている。

本発明の好適な実施形態が例示の目的のために開示されたが、当業者であれば、添付図面に開示されたような本発明の要旨及び精神から逸脱することなく、種々の修正、付加及び置換が可能であることを理解できる。

上記の説明から明らかなように、本発明に係る冷却部材は、電極アセンブリ受け部の外縁に沿って形成されたクーラント導管が放熱フィンに結合された構造を有するように構成されている。この結果、バッテリーモジュールの構成中、バッテリーセルを固定しながら、クーラント漏れの問題を解決することが可能である。また、コンパクト構造を有するバッテリーモジュールを提供することが可能である。また、クーラントに対する耐食性は、クーラント部材の特定コンポーネントに対してのみ必要とされ、したがってバッテリーモジュールの製造コスト全体が低減される。

１００ バッテリーセル
１１０，１２０ 電極リード線
１３０ バッテリーケース
１４０ 電極アセンブリ受け部
２００ 冷却部材
２１０ 放熱フィン
２２０ クーラント導管
３００ バッテリーモジュール

Claims (20)

1. バッテリーセルの充放電中に前記バッテリーセルから発生した熱を除去するため前記バッテリーセル間にマウントされた冷却部材であって、
   前記冷却部材は、
   放熱フィンの対向する主面が前記バッテリーセルと緊密に接触している状態で、前記バッテリーセル間に配置されたプレート状放熱フィンと、
   クーラントを流すための中空構造を有するように構成されたクーラント導管であって、前記クーラント導管は前記放熱フィンに熱的に接触し、前記放熱フィンが前記バッテリーセル間に配置される場合には前記クーラント導管は前記各バッテリーセルの電極アセンブリ受け部の外側に配置される、前記クーラント導管と、
   を備えている冷却部材。
2. 前記各バッテリーセルが、プレート状二次バッテリーである請求項１に記載の冷却部材。
3. 前記プレート状二次バッテリーは、カソード／セパレータ／アノード構造を有する電極アセンブリが樹脂層と金属層とを備える積層シートから形成されたバッテリーケースにマウントされた構造を有するように構成された、ポーチ状バッテリーセルである請求項２に記載の冷却部材。
4. 前記放熱フィンが、熱伝導シートから形成されている請求項１に記載の冷却部材。
5. 前記放熱フィンが、金属シートから形成されている請求項４に記載の冷却部材。
6. 前記放熱フィンは、一対の金属シートが互いに結合された構造を有するように構成された請求項５に記載の冷却部材。
7. 前記クーラント導管が、耐食性材料から形成された請求項１に記載の冷却部材。
8. 前記クーラント導管は、前記クーラント導管の少なくとも一部が前記各バッテリーセルの前記電極アセンブリ受け部の外縁の形状に対応するために曲げられるように構成されている請求項１に記載の冷却部材。
9. 前記各バッテリーセルの前記電極アセンブリ受け部がプランで四角形に形成された場合には、前記クーラント導管は、前記電極アセンブリ受け部の二つ又は三つ以上の側部に対応する形状を有するように曲げられている請求項８に記載の冷却部材。
10. 前記クーラント導管が、前記電極アセンブリ受け部の三つの側部に対応する形状を有するように曲げられている請求項９に記載の冷却部材。
11. 前記クーラント導管は、前記電極アセンブリ受け部の外縁と緊密に接触して配置されるように曲げられている請求項１０に記載の冷却部材。
12. 前記クーラント導管は、前記クーラント導管のクーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが前記放熱フィンの一方側に並んで形成されるように、構成されている請求項１０に記載の冷却部材。
13. 前記クーラント導管は、前記放熱フィンに、ブレージングにより結合されている請求項１に記載の冷却部材。
14. 前記放熱フィンは一対の金属シートが互いに結合された構造を有するように構成され、かつ前記クーランド導管は、前記クーラント導管が前記金属シート間に配置された状態で、前記放熱フィンに結合されている請求項１に記載の冷却部材。
15. 前記クーラントが水である請求項１に記載の冷却部材。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の冷却部材を備えているバッテリーモジュール。
17. 前記バッテリーモジュールは二つ又は三つ以上のプレート状バッテリーセルがスタックされた構造を有するように構成され、かつ前記冷却部材が前記バッテリーセル間に配置された請求項１６に記載のバッテリーモジュール。
18. 前記クーラント導管は、前記クーラント導管のクーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが、前記各バッテリーセルの電極端子に対応する領域に形成されるように、構成されている請求項１７に記載のバッテリーモジュール。
19. 前記クーラント導管は、前記クーラント導管のクーラント入口ポート及びクーラント出口ポートが、前記各バッテリーセルの電極端子とは反対側の領域に形成されるように、構成されている請求項１７に記載のバッテリーモジュール。
20. 前記バッテリーモジュールが、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグイン電気自動車、又は電力貯蔵デバイスに用いられている請求項１６に記載のバッテリーモジュール。

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